Linux 多线程编程(二)2019-08-10

三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.

在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV *** 作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.

phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.

其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子 *** 作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本sem_post函数将以原子的 *** 作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.

这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.

生产者消费者模型:

生产者对应一个信号量:sem_t producer

消费者对应一个信号量:sem_t customer

sem_init(&producer,2)----生产者拥有资源,可以工作

sem_init(&customer,0)----消费者没有资源,阻塞

在访问公共资源前对互斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.

互斥锁的运行方式:串行访问共享资源

信号量的运行方式:并行访问共享资源

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock以原子 *** 作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.

pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论被 *** 作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁 *** 作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.

pthread_mutex_unlock以原子 *** 作方式给一个互斥锁进行解锁 *** 作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.

三个打印机轮流打印:

输出结果:

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.

条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.

其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.

采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

运行结果:

阻塞队列+生产者消费者

运行结果:

​ __thread 是GCC内置的线程局部存储设施，存取效率可以和全局变量相比。

​ __thread 变量 每一个线程有一份独立实体 ，各个线程的值互不干扰。可以用来修饰那些带有全局性且值可能变，但是又不值得用全局变量保护的变量。

只能修饰 POD 类型(类似整型指针的标量，不带自定义的构造、拷贝、赋值、析构的类型，二进制内容可以任意复制memset,memcpy,且内容可以复原)

  不能修饰 class 类型，因为无法自动调用构造函数和析构函数，可以用于修饰全局变量，函数内的静态变量，不能修饰函数的局部变量或者class的普通成员变量，且__thread变量值只能初始化为编译期常量，即编译期间就能确定值。

场景说明：每个线程有一些需要保存的上下文信息，即可使用 __thread 变量

我只想要进程的某个线程休眠一段时间的，可是用sleep()是将整个进程都休眠的，这个可能就达不到，我们想要的效果了。 目前我知道有三种方式：

1 usleep

这个是轻量级的， 听说能可一实现线程休眠， 我个人并不喜欢这种方式，所以我没有验证它的可行信（个人不推荐）。

2 select

这个可以，我也用过这种方式， 它是在轮询。

3 pthread_cond_timedwait

采用pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)可以优雅的解决该问题，设置等待条件变量cond，如果超时，则返回；如果等待到条件变量cond，也返回。本文暂不将内部机理，仅演示一个demo。

首先，看这段代码，thr_fn为一个线程函数：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int flag = 1void * thr_fn(void * arg) {while (flag){printf("******\n")sleep(10)}printf("sleep test thread exit\n")}int main() {pthread_t threadif (0 != pthread_create(&thread, NULL, thr_fn, NULL)) {printf("error when create pthread,%d\n", errno)return 1}char c while ((c = getchar()) != 'q')printf("Now terminate the thread!\n")flag = 0printf("Wait for thread to exit\n")pthread_join(thread, NULL)printf("Bye\n")return 0}

输入q后，需要等线程从sleep中醒来（由挂起状态变为运行状态），即最坏情况要等10s，线程才会被join。采用sleep的缺点：不能及时唤醒线程。

采用pthread_cond_timedwait函数实现的如下：

#include <stdio.h>#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <pthread.h>#include <errno.h>static pthread_t threadstatic pthread_cond_t condstatic pthread_mutex_t mutexstatic int flag = 1void * thr_fn(void * arg) {struct timeval nowstruct timespec outtimepthread_mutex_lock(&mutex)while (flag) {printf("*****\n")gettimeofday(&now, NULL)outtime.tv_sec = now.tv_sec + 5outtime.tv_nsec = now.tv_usec * 1000pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &outtime)}pthread_mutex_unlock(&mutex)printf("cond thread exit\n")}int main(void) {pthread_mutex_init(&mutex, NULL)pthread_cond_init(&cond, NULL)if (0 != pthread_create(&thread, NULL, thr_fn, NULL)) {printf("error when create pthread,%d\n", errno)return 1}char c while ((c = getchar()) != 'q')printf("Now terminate the thread!\n")pthread_mutex_lock(&mutex)flag = 0pthread_cond_signal(&cond)pthread_mutex_unlock(&mutex)printf("Wait for thread to exit\n")pthread_join(thread, NULL)printf("Bye\n")return 0}

pthread_cond_timedwait()函数阻塞住调用该函数的线程，等待由cond指定的条件被触发（pthread_cond_broadcast() or pthread_cond_signal()）。

当pthread_cond_timedwait()被调用时，调用线程必须已经锁住了mutex。函数pthread_cond_timedwait()会对mutex进行【解锁和执行对条件的等待】（原子 *** 作）。这里的原子意味着：解锁和执行条件的等待是原则的，一体的。（In this case, atomically means with respect to the mutex andthe condition variable and other access by threads to those objectsthrough the pthread condition variable interfaces.）

如果等待条件满足或超时，或线程被取消，调用线程需要在线程继续执行前先自动锁住mutex，如果没有锁住mutex，产生EPERM错误。即，该函数返回时，mutex已经被调用线程锁住。

等待的时间通过abstime参数（绝对系统时间，过了该时刻就超时）指定，超时则返回ETIMEDOUT错误码。开始等待后，等待时间不受系统时钟改变的影响。

尽管时间通过秒和纳秒指定，系统时间是毫秒粒度的。需要根据调度和优先级原因，设置的时间长度应该比预想的时间要多或者少点。可以通过使用系统时钟接口gettimeofday()获得timeval结构体。

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